張成研+蘇建歡+覃偉年+吳建勇

【摘 要】森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)受到環(huán)境和地理位置的影響，存在通信數(shù)據(jù)線布線復(fù)雜和監(jiān)測設(shè)備成本較高的問題。設(shè)計(jì)一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，利用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)采集，CC2530與GTM900C組成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊，傳輸森林環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有終端設(shè)備體積小、低成本、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】Zigbee；GPRS；森林火災(zāi)監(jiān)測

0 引言

森林火災(zāi)發(fā)生呈現(xiàn)突發(fā)性強(qiáng)、蔓延快等特點(diǎn)，直接威脅森林安全，給森林資源帶來巨大破壞，因此，森林火災(zāi)的防治工作一直是各國關(guān)注的重點(diǎn)。

目前，主流的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三種類型：衛(wèi)星監(jiān)測、視頻監(jiān)測和人工巡防。衛(wèi)星監(jiān)測主要依賴氣象衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)，對林區(qū)的氣象信息進(jìn)行監(jiān)測，通過氣象信息和衛(wèi)星云圖鎖定火災(zāi)發(fā)生區(qū)域，這種技術(shù)主要是針對偏遠(yuǎn)地區(qū)森林，工作人員難以深入林區(qū)；視頻監(jiān)測是通過搭建視頻監(jiān)測云臺(tái)對林區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，適用于平原地區(qū)森林，這種技術(shù)往往對網(wǎng)絡(luò)通信的要求較高，必須配置專用網(wǎng)線通信和紅外攝像儀，其通信成本和云臺(tái)搭建費(fèi)用都很高；人工巡防則是在相對落后地區(qū)，利用眺望塔來對森林實(shí)時(shí)監(jiān)測，憑借人工經(jīng)驗(yàn)來判斷火災(zāi)。

這些常用的監(jiān)測技術(shù)存在成本較高、設(shè)備體積大等缺點(diǎn)，復(fù)雜的森林環(huán)境還會(huì)增加布線成本。新興的無線傳感器技術(shù)可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，Zigbee無線通信技術(shù)免除了布線費(fèi)用，節(jié)約成本，另外Zigbee模塊具有功耗低、設(shè)備體積小等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，以GPRS作為遠(yuǎn)程通信方式，實(shí)驗(yàn)表明，能夠穩(wěn)定進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測森林環(huán)境信息。這種將PAN網(wǎng)絡(luò)和GSM公用網(wǎng)絡(luò)相融合的數(shù)據(jù)采集通信方式具有覆蓋范圍大、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高和應(yīng)用環(huán)境廣泛的優(yōu)勢[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1。從網(wǎng)絡(luò)上來看，系統(tǒng)由Zigbee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)組成。從硬件上來看，系統(tǒng)由終端傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)四個(gè)部分組成。

系統(tǒng)主要以Zigbee技術(shù)和GPRS技術(shù)為核心，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、搭載傳感器多的特點(diǎn)，又融合GPRS技術(shù)覆蓋范圍大并且可以遠(yuǎn)程通信，彌補(bǔ)了Zigbee只能短距離通信的弱點(diǎn)[2]。

2 各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要分兩種類型：終端采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)據(jù)采集功能，在硬件設(shè)計(jì)上采用同樣的電路設(shè)計(jì)；協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)連接GPRS模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。由于協(xié)調(diào)器的主要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不需要配備傳感器來加重控制芯片負(fù)擔(dān)。

終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的主控芯片采用由美國德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530，單個(gè)CC2530芯片上集成有Zigbee射頻收發(fā)器核心和一顆高性能8051控制器。CC2530片上資源豐富，只需要很少外圍部件配合就能完成信號(hào)收發(fā)[3]。傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11和煙霧傳感器MQ-2，DHT11是常用的單總線傳感器，數(shù)據(jù)的傳輸和控制命令的寫入都是通過一根數(shù)據(jù)線完成，能夠同時(shí)完成對環(huán)境溫濕度的采集任務(wù)，DHT11數(shù)據(jù)線接入CC2530的P0.7引腳。MQ-2是煙霧傳感器，其傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，接入CC2530的P0.6引腳，通過CC2530內(nèi)部的模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。圖2是終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)圖。

協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)也是基于終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，根據(jù)其自身功能，增加GPRS模塊，GPRS模塊采用華為公司最新生產(chǎn)的GTM900C芯片。協(xié)調(diào)器只負(fù)責(zé)Zigbee組網(wǎng)和數(shù)據(jù)GPRS傳輸，其硬件設(shè)計(jì)如圖3，GPRS模塊接入CC2530的UART0接口。許多設(shè)計(jì)都采用ARM作為網(wǎng)關(guān)控制芯片，而在本系統(tǒng)中顯示和處理功能由上位機(jī)完成，所以控制芯片可以直接利用CC2530，能夠進(jìn)一步減小成本、控制硬件設(shè)備體積。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

CC2530采用Z-stack協(xié)議棧作為Zigbee的通信協(xié)議，該協(xié)議棧已經(jīng)配備完善的物理層網(wǎng)絡(luò)層等等，只需要對其應(yīng)用層進(jìn)行開發(fā)，大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

軟件設(shè)計(jì)主要是終端設(shè)備上采集發(fā)送程序和協(xié)調(diào)器上的GPRS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序。路由節(jié)點(diǎn)在編譯過程中定義為路由，自動(dòng)開啟路由功能。

Z-stack協(xié)議棧工作原理是輪詢制度，終端設(shè)備的采集發(fā)送程序需加載在周期發(fā)送事件，具體步驟如下：

（1）注冊發(fā)送事件#define TESTAPP_SEND_MSG_EVT 0x0002

（2）在初始化下定義DHT11接入口為輸入模式，對MQ-2數(shù)據(jù)接口配置AD轉(zhuǎn)換參數(shù)。

P0SEL &= 0x7f； //P0_7配置成通用IO

P0SEL &= ～0x40； //設(shè)置P0.6為普通IO口

P0DIR &= ～0x40； //P0.6定義為輸入口

ADCIF = 0；ADCCON3 = （0x40 | HAL_ADC_DEC_064 | HAL_ADC _CHANNEL_6）；

（3）定時(shí)發(fā)送事件。osal_start_timerEx（TestApp_TaskID， TESTAPP _SEND_MSG_EVT，TESTAPP_SEND_MSG_TIMEOUT ）；

（4）進(jìn)入發(fā)生事件對應(yīng)的處理程序。在處理程序中完成對傳感器數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)存入和發(fā)送。AF_DataRequest（）函數(shù)進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器0x0000。ReadGasData（）和DHT11（）用戶定義傳感器數(shù)據(jù)讀取程序。

協(xié)調(diào)器與GPRS模塊采用串口通信，需要配置串口波特率等信息，GPRS模塊的連接3G網(wǎng)絡(luò)是通過AT指令進(jìn)行，必須要對GPRS模塊初始化連接網(wǎng)絡(luò)。下面是具體程序流程：

（1）注冊#define GPRS_INTI_EVENT 0x0001為GPRS初始化事件；

（2）若設(shè)備為協(xié)調(diào)器則觸發(fā)GPRS初始化事件。if （ （TestApp_NwkState == DEV_ZB_COORD） osal_set_event（TestApp_TaskID，GPRS_INTI_EVENT）；

（3）GPRS初始化的AT指令流程圖4[4]。

（4）完成初始化后，對接收到的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行串口輸出到GPRS模塊，遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。

HalUARTWrite（0，"AT%IPSEND=＼""，11）；HalUARTWrite（0，pkt->cmd.Data，pkt->cmd.DataLength）；HalUARTWrite（0，"＼"＼x0D＼x0A"，3）；

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測中心測試

3.1 上位機(jī)軟件總設(shè)計(jì)

上位機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)頂層，必須完成通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、火情分析、報(bào)警響應(yīng)功能，具體上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖5。

上位機(jī)通過Socket通信技術(shù)來接收協(xié)調(diào)器通過GPRS傳來的數(shù)據(jù)，串口通信連接GPRS模塊用于火災(zāi)報(bào)警短信自動(dòng)發(fā)送。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方便查詢歷史記錄。報(bào)警程序分析環(huán)境數(shù)據(jù)判定是否報(bào)警。

3.2 Socket通信測試

上位機(jī)軟件測試如圖6所示，協(xié)調(diào)器能夠自動(dòng)完成GPRS初始化連接到遠(yuǎn)程上位機(jī)，能夠?qū)崟r(shí)顯示數(shù)據(jù)，并且自動(dòng)繪制溫度曲線圖，顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。整個(gè)連接是通過TCP通信協(xié)議，遠(yuǎn)程上位機(jī)作為服務(wù)端，協(xié)調(diào)器作為客戶端，顯示客戶端的IP地址和連接情況。

3.3 火災(zāi)報(bào)警測試

在設(shè)置火災(zāi)報(bào)警參數(shù)后，對每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳來數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否超過報(bào)警值，如果達(dá)到報(bào)警的要求，則會(huì)在報(bào)警記錄欄記錄火災(zāi)節(jié)點(diǎn)和報(bào)警原因。圖7 是報(bào)警界面。

3.4 歷史數(shù)據(jù)查詢測試

通過Socket接收的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)幀下的內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別，保存到數(shù)據(jù)庫下環(huán)境監(jiān)測表。上位機(jī)ADO插件對數(shù)據(jù)查詢，可以查閱歷史數(shù)據(jù)。圖8是數(shù)據(jù)查詢測試圖。

4 結(jié)論

本森林火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)采用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，利用VS2010平臺(tái)，搭建上位機(jī)軟件平臺(tái)，快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，能夠查詢歷史數(shù)據(jù)，及時(shí)火災(zāi)報(bào)警。終端采用CC2530為核心的終端設(shè)備，具有體積小、成本低的優(yōu)勢，安裝方便，節(jié)省綜合成本。進(jìn)一步設(shè)計(jì)可以增加多個(gè)Zigbee區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)測。初步測試結(jié)果表明，該方案各項(xiàng)基本功能基本實(shí)現(xiàn)，通信可靠。能夠應(yīng)用樓宇、倉庫、社區(qū)等地區(qū)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，具有廣泛的市場前景。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]